烧蚀机制下激光超声声场的模拟与实验验证

分析了烧蚀机制下超声波的产生机制,建立了工件有限元模型,将等离子体的冲击力对材料的作用视为超声波的激励源,模拟计算了激光超声波在工件中的传播过程,提取了节点位移的时间历程曲线,求出超声波的速度并由此确定相应超声波的类型。此外,分析了激光超声声场分布,利用半圆形铝质试块进行了激光超声的测量对比实验,采用超声换能器接收纵波、横波以及表面波。通过对比分析可知,数值分析结果与实验数据相符,该有限元数值模拟方法正确可靠。

C/C材料的烧蚀机制分析

本文采用两方程模型分析了C/C材料在再入过程中的烧蚀机制,推导了再入过程中双控制下的烧蚀计算公式,并计算了温度在1200K～3500K范围内C/C材料的烧蚀率分布,从而提出了C/C材料在再入过程中各种控制所适用的统一准则,合理地确定了C/C材料在再入过程中各种控制发生的温度范围。本文提出的分析方法还可以推广到碳基材料喷管的热化学烧蚀计算中。

脉冲激光清洗绝缘子污秽的振动与烧蚀机制分析

脉冲激光清洗绝缘子表面污秽时,作用机制主要有振动和烧蚀两种机制,但不同激光参数下实际的作用机制会有所差异。通过COMSOL建立热-应力耦合有限元模型模拟温度场和应力场,探究脉冲激光扫描一个周期脉冲功率不同时的振动和烧蚀机制及其清洗效果,并通过激光清洗试验,验证仿真结果的可行性。仿真结果表明,振动与烧蚀机制共同作用的污秽去除阈值约为123 W,振动量与烧蚀量都随着脉冲功率的增大而增大,在150 W时清洗深度为污秽厚度的40%,在200 W时清洗深度达到污秽厚度的92%;在250 W时清洗机制达到临界状态,清洗深度达到污秽厚度的100%;大于250 W后为烧蚀机制主导,以300 W为例,绝缘子有明显损坏。试验结果表明,在设备功率为200 W时,脉冲激光对绝缘子表面污秽有明显的去除效果,表面污秽向外喷溅,并伴随明显烧蚀现象;绝缘子基底只有少量污秽残留,未见损伤。

超高温陶瓷改性C/C复合材料抗氧化烧蚀性能研究进展

碳/碳(C/C)复合材料具有高强、轻质和耐温等优势,在航天领域取得广泛应用;但由于其抗氧化性能较差,难以满足高超声速飞行器长时飞行、大气层再入飞行和跨大气层飞行的服役环境。利用超高温陶瓷改性C/C复合材料(C/C-UHTC)可以显著提高C/C复合材料的抗氧化烧蚀性能,有望满足新一代飞行器长时间抗氧化、抗烧蚀及结构强度的要求。本文总结了C/C-UHTC复合材料烧蚀性能的常用测试方法,包括氧-乙炔烧蚀、等离子烧蚀、激光烧蚀和风洞烧蚀,简要介绍了各种烧蚀性能测试方法的特点。此外,对近年来Zr系和Hf系单组元、双组元和三组元C/C-UHTC复合材料的烧蚀性能及烧蚀机理进行详细阐述。

烧蚀时间对C/C-SiC复合材料高超声速富氧环境烧蚀机制的影响

为了研究烧蚀时间对C/C-SiC复合材料在高超声速富氧环境下烧蚀机制的影响规律,采用富氧环境下的高超声速烧蚀试验技术,对“化学气相渗透+先驱体浸渍裂解”混合工艺制备的针刺C/C-SiC复合材料动态烧蚀机制进行研究,并采用电子扫描显微镜观察烧蚀表面形貌。研究表明:在极端苛刻的高超声速富氧烧蚀环境下,C/C-SiC复合材料能够短时抵抗高温、高压、高超声速燃气射流的氧化工作环境。材料经高超声速富氧烧蚀10 s、20 s、30 s、40 s及50 s后的质量烧蚀率分别为0.021 g/s、0.025 g/s、0.027 g/s、0.026 g/s与0.034 g/s。C/C-SiC复合材料在高超声速富氧环境下的动态烧蚀行为主要受热化学烧蚀与机械剥蚀两种烧蚀机制共同作用。在初始阶段,SiO_(2)保护膜的存在有效阻止了氧化性组分向基体内部的扩散,仅材料中心区域存在轻微热化学烧蚀;烧蚀试验中期,材料的烧蚀主要表现为热化学烧蚀与机械剥蚀联合作用,并由热化学烧蚀向机械剥蚀呈渐变性转变;烧蚀试验后期,基体的深度反应使得材料的烧蚀主要表现为纤维与基体的大面积片状剥落。

ZrC-Cu-C/C复合材料的烧蚀性能及烧蚀机制

为了提高炭/炭(C/C)复合材料的耐烧蚀性能,以孔隙率为38%的C/C复合材料为坯体,Zr-Cu混合粉末为熔渗剂,采用反应熔渗法制备了ZrC-Cu-C/C复合材料。通过氧-乙炔焰烧蚀实验,研究了熔渗剂成分对复合材料高温耐烧蚀性能的影响。利用XRD、SEM和EDS对烧蚀前后ZrC-Cu-C/C复合材料的相组成和微观结构进行了分析。结果表明:ZrC-Cu-C/C复合材料烧蚀前主要存在C、ZrC和Cu相,有微量Zr残余;烧蚀20s后表面主要存在炭基体、ZrO_2、CuO、Cu_2O及残余的ZrC和Cu。随熔渗剂中Zr含量增加,复合材料的线烧蚀率和质量烧蚀率均呈现先减小后增大的趋势,以60%Zr-Cu(质量分数)为熔渗剂制备的ZrC-Cu-C/C复合材料的抗烧蚀性能最佳,其线烧蚀率和质量烧蚀率分别为0.0018mm·s^(-1)和0.0013g·s^(-1)。ZrC-Cu-C/C复合材料的烧蚀机制为以C的升华、ZrO_2的熔化及Cu的蒸发和汽化为主的热物理烧蚀、ZrC和C氧化的热化学烧蚀以及高压热流冲刷引起的机械剥蚀的综合作用。

高速列车过绝缘节轮轨间拉弧机理分析及抑制

随着高速铁路运营密度、运行速度和牵引功率的不断提升,车辆移动回流系统与轨道固定回流系统耦合复杂造成过绝缘节时绝缘节间拉弧频发,电弧侵蚀绝缘节,导致轨道电路串接、串码等故障,严重威胁行车安全。围绕高速列车过钢轨绝缘节时车轨间回流耦合引起的绝缘节间拉弧问题开展研究,解析轮对接近、跨接、驶离绝缘节时回流途径拓扑结构及阻抗的动态变化过程,基于牵引系统的实采阻抗参数构建“车-轨”移动接地系统三维等效电路模型,解析列车各轮对滚动过绝缘节各接地轮轴回流路径及大小的动态变化规律。基于系统实际结构参数构建“转向架-钢轨”3D多物理场耦合模型,揭示回流耦合作用下的轮轨燃弧动态演化规律,探明接地电流、钢轨端压等因素对绝缘节间拉弧的影响机制。同时提出一种新型绝缘节间拉弧抑制装置,仿真分析抑制效果。

超短脉冲激光对透明介质的烧蚀特性研究

用波长800 nm,脉宽分别为20 fs,100 fs,1 000 fs高斯型激光脉冲研究熔石英的烧蚀机制,采用一种新的模型来计算烧蚀过程中电子数密度随时间的演化,同时确定了不同情况下材料的烧蚀阈值,并分析了在这个过程中多光子电离,隧道电离及雪崩电离的作用,本文结果与以前研究结果符合得较好.

气体火花开关电极烧蚀研究综述

气体火花开关是脉冲功率装置中最常用的关键器件。电极烧蚀作为脉冲功率开关中的难点问题,会引起开关自击穿电压降低、触发抖动增大及开关寿命降低,已成为制约气体开关发展和应用的一个瓶颈。本文回顾梳理了国内外学者针对电极烧蚀问题进行的一系列研究,从电极烧蚀理论和实验研究成果两个方面,介绍了电极烧蚀的基本机制及仿真模型,归纳了影响开关电极烧蚀的因素以及电极耐烧蚀材料的研究进展,最后讨论了电极烧蚀研究面临的问题以及优化电极材料抗烧蚀性能的方向。

激光激发超声波的新方法研究

介绍了激光激发超声波的原理,分别给出了热弹机制和烧蚀机制下的纵波和剪切波理论波形;基于排列因子作用,提出了一种新型激光激发超声波的方法———激光定相位排列激发超声波,激光源经过定相位排列后,在某一方向上产生的超声波幅度比传统单一源产生的超声波幅度要强很多,采用此种方法,可实现对超声信号方向和强度的有效激发控制,对下一步的超声无损检测有非常重要的意义;结合实际给出了该方法的实现方式·

斜入射激光超声体波声场的实验研究

为研究微烧蚀状态下圆形光斑斜入射时激光超声声场的指向性，使用脉冲激光辐照半圆柱形铝质工件表面，并使用压电探头和电磁超声探头分别接收纵波和横波信号。根据速度参数确定了超声信号的类型，提取了信号的峰峰值，并绘制出声场指向性曲线。通过分析获得以下结论：激光斜入射角度在O～60°范围内变化时，纵波声场的声束轴线方向保持不变，且与工件内法线平行；另外，横波声场的峰-峰值仍然在±35°的方向上取最大值，但是横波指向图形的主瓣易受激光入射方向的影响，当倾斜角度大于等于45°时，横波主瓣的范围弯得较宽。

斜入射激光支持燃烧波时纵波声场的指向性

利用理论推导及实验验证的方法研究了激光倾斜入射支持燃烧波时纵波声场的指向性。根据激光超声的产生机理,在喷溅物质垂直作用于工件表面的前提条件下,推导了椭圆形声源作用时远场质点的法向位移。获得了纵波声场的指向性函数,分析了影响纵波声场指向性的因素,并进行了实验验证。利用功率密度低于爆轰波点燃阈值的激光烧蚀工件,使用峰值频率为5 MHz压电探头接收纵波,进而获得纵波声场的指向性实验数据,结果表明,实验数据与理论数据能够较好地进行吻合。在光斑短轴长度恒定时,与激光垂直入射相比,各倾斜入射角度下纵波声场的声束轴线指向均保持不变,并且指向性图形随倾斜角度的增加而变得细窄,纵波声场的能量也更加集中。

激光超声横波声场指向性的研究

为研究烧蚀机制下横波声场的指向性,搭建了激光超声激励系统,使用不同倍数的缩束镜激励超声波,并利用中心频率不同的电磁超声传感器测得横波信号。分析了横波信号的中心频率,提取了信号的峰-峰值并绘制指向性图形,根据结果可知,指向性图形由主瓣与副瓣两部分组成,横波幅值均在35°与-35°位置处达到最大。讨论了光斑大小和传感器中心频率对横波声场指向性测量数据的影响,得到以下结论:同种接收频率下使用较大光斑能够获得主瓣较细窄的指向性图形;而对于同样大小的激光光斑,利用中心频率较大的传感器获得的指向性图形副瓣上的幅值较大。

硅橡胶基防热涂层烧蚀和热响应特性预报方法

系统地开展了高速飞行器大面积热防护部位用轻质高效防热涂层烧蚀机制与性能预报方法研究。利用石英灯辐射加热设备,开展了硅橡胶基涂层的高温热环境考核试验,分析了高温下材料微结构演化规律,阐明了烧蚀防热机制。考虑材料烧蚀、相变、扩散等过程引起的多种吸热机制,基于质量和能量守恒原理,结合边界层空气动力学关系和材料内部热传导方程,建立了硅橡胶基涂层的烧蚀和热响应耦合预报模型。模拟了硅橡胶基防热涂层典型热环境工况下的表面烧蚀和内部传热过程,获得了材料内部的热响应特性,分析了硅橡胶基涂层的防热、隔热性能,预报值与试验值吻合较好,证明了模型的准确性。本模型可用于烧蚀型防热涂层精细化设计与性能预示。

SiC-ZrC陶瓷含量对C/C-SiC-ZrC复合材料性能的影响

采用聚合物浸渍裂解法制备了不同SiC⁃ZrC含量的C/C⁃SiC⁃ZrC复合材料,系统考察了SiC⁃ZrC含量对C/C⁃SiC⁃ZrC复合材料的微观结构、力学和抗烧蚀性能的影响。结果表明,ZrC的含量显著影响了复合材料的力学性能和耐烧蚀性能。其中ZrC含量为4.53%(体积分数,下同)时复合材料具有最优的力学性能,其弯曲强度、压缩强度和剪切强度分别为358 MPa、277 MPa、115 MPa;ZrC含量为13.03%时,复合材料具有良好的耐烧蚀性能;经过热流密度为3200 kW/m^(2)的氧气⁃乙炔火焰烧蚀300 s后,复合材料的线烧蚀率和质量烧蚀率分别为0.003 mm/s、0.0016 g/s。另外,随着ZrC含量的增加,PyC层与陶瓷层的界面会产生弱结合;在承担载荷时,PyC层会与陶瓷层先发生移动,使得纤维的增韧效果难以发挥,导致复合材料的力学性能急剧下降。当ZrC含量为13.03%时,氧化生成的ZrO_(2)会牢固地粘附在材料表面,具有一定流动性的SiO_(2)会与ZrO_(2)形成二元共熔的混合物SiO_(2)⁃ZrO_(2),弥补烧蚀过程中气体挥发所造成的孔隙和缺陷,防止含氧组分进一步侵蚀材料,有效提升材料的耐烧蚀、抗氧化性能。

不同制备方法下（C/C）/ZrB2-SiC复合材料的抗烧蚀性能

采用涂刷法和浆料浸渍法在(C/C)/SiC复合材料基础上制备了(C/C)/ZrB2-SiC复合材料,采用微观分析和氧-乙炔烧蚀试验,并借助SEM、EDS等手段,研究三种材料的微观结构、抗烧蚀性能和抗烧蚀机制。结果表明:制备的(C/C)/ZrB2-SiC复合材料的抗烧蚀性能优于(C/C)/SiC复合材料,相比(C/C)/SiC复合材料,涂刷法制备的(C/C)/ZrB2-SiC复合材料600s和1000s线烧蚀率下降33.3%和15.4%,质量烧蚀率下降51.5%和25.5%;浆料浸渍法制备的(C/C)/ZrB2-SiC复合材料600s和1000s线烧蚀率下降20%和28.8%,质量烧蚀率下降42.4%和53.2%,其在高温阶段形成的ZrO2-SiO2玻璃态熔融层起到了抗氧化冲刷的作用,大幅提高其抗烧蚀性能。三种材料的烧蚀机制是热化学烧蚀、热物理烧蚀和机械剥蚀的综合作用。

不同ZrC含量的(C/C)/SiC-ZrC复合材料的抗烧蚀性能

采用先驱体转化(PIP)法制备了不同ZrC含量的(C/C)/SiC-ZrC复合材料,考察了ZrC含量对复合材料微观结构和抗烧蚀性能的影响。结果表明,氧乙炔烧蚀600 s后,(C/C)/SiC复合材料表面疏松,出现了较大的烧蚀凹坑;而(C/C)/SiC-ZrC复合材料表面相对较致密,被白色氧化物质覆盖,烧蚀率均有所降低。在较低的ZrC含量下,(C/C)/SiC-ZrC复合材料表面形成ZrO2-SiO2二元共熔体系氧化膜,有效抑制氧化性气氛向复合材料内部渗透,同时氧化物不断熔化和挥发,降低了复合材料烧蚀表面的温度;而当ZrC体积分数为12.4vol%时,在烧蚀过程中(C/C)/SiC-ZrC复合材料表面能形成一个ZrO2外层/SiO2内层的双层结构保护膜,ZrO2是一种优异的热障材料,且导热系数较低,使烧蚀过程中烧蚀区域热扩散降低,因此(C/C)/SiCZrC复合材料表现为较高的表面温度,但双层氧化膜阻挡有氧气氛进一步进入复合材料内部,使复合材料表现出优异的抗烧蚀性能。

双钴1-а推进剂作用下钼喉衬烧蚀性能研究

固体火箭发动机喷管在工作过程中其内部要承受高温、高压以及高速燃气所携带的固体颗粒冲刷,这些因素会引起喷管内部的烧蚀,进而直接影响其弹道性能,因此喷管喉衬材料的烧蚀性能是固体火箭发动机研究的主要方向之一。金属钼具有抗烧蚀、力学性能好等一系列优良的性能,同时钼喉衬的制备工艺简单,是低温推进剂难熔金属喉衬的首选材料。采用小型固体火箭发动机静态实验台研究钼喉衬在双钴1-a推进剂下沿轴向方向上的平均线烧蚀率,利用扫描电镜(SEM)及其所配置的能谱(EDX)分析钼喉衬的烧蚀特征及其机制。结果表明:在双钴1-a推进剂下钼喉衬烧蚀程度沿轴向方向不断变化,喉衬各部位烧蚀形貌存在明显差别。在收敛段末段区域及整个喉部区域烧蚀最为严重,其主要为热化学烧蚀和粒子剧烈冲蚀,平均最大线烧蚀率为0.1475 mm·s-1;收敛段大部分主要为热化学烧蚀和粒子轻微冲蚀;扩散段主要为热化学烧蚀。钼喉衬5 s后的平均烧蚀量约为喉径面积的4.92%,未超过喉径面积的5%,可满足在试验工况下固体火箭发动机的工作要求。

反应熔渗制备ZrC-SiC/(C/C)复合材料组织结构及耐烧蚀性能

采用反应熔渗法(RMI)制备出密度为3.288g/cm3的ZrC-SiC/(C/C)复合材料,采用SEM-EDS、XRD和TEM等分析手段研究了ZrC-SiC/(C/C)复合材料的微观组织结构。结果表明:陶瓷相填充充分且均匀分布在C/C复合材料基体中,其内部组织主要由ZrC、SiC、热解炭(PyC)和碳纤维(CF)组成。熔渗剂反应充分,复合材料内部未检测到残余未反应金属Zr、Si。采用氧乙炔烧蚀设备检测ZrC-SiC/(C/C)复合材料在2500℃下,烧蚀时间分别为30s、60s和90s的烧蚀性能,其质量烧蚀率分别为5.667mg/s、2.907mg/s和3.030mg/s,线烧蚀率分别为1.001μm/s、4.662μm/s和4.450μm/s。试验结果表明,在高温烧蚀过程中,ZrC-SiC/(C/C)复合材料烧蚀中心区陶瓷相逐渐氧化生成ZrO2和SiO2;生成的ZrO2和SiO2混合物保护并填充复合材料烧蚀孔隙,阻止氧化反应向材料内部进行,有效提高了材料的烧蚀性能。